Способ отрицательной обратной связи

Обратная связь. Влияние отрицательной обратной связи (ООС) на основные качественные показатели усилительных устройств

Обратная связь предполагает передачу части энергии выходного сигнала на вход электронного устройства или усилителя. Структурная схема усилителя, охваченного обратной связью, приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема усилителя, охваченного обратной связью

В данной схеме коэффициент усиления усилителя без обратной связи . Коэффициент передачи четырехполюсника обратной связи

Первоначально обратная связь использовалась для увеличения коэффициента усиления. В этом случае напряжение или ток с выхода усилителя подается на его вход синфазно с входным колебанием (сдвиг фаз в петле обратной связи должен быть равен 0° или 2π×n). Такая обратная связь получила название положительная обратная связь. Однако скоро выяснилось, что положительная обратная связь приводит к нестабильности работы усилителя и ее стали избегать.

Отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления усилителя. В начале двадцатого века это было крупным недостатком, однако в настоящее время это легко компенсируется добавлением одного или нескольких каскадов усиления. В то же самое время отрицательная обратная связь в усилителях приводит к улучшению многих его параметров, поэтому она нашла широкое применение.

Влияние обратной связи на коэффициент усиления

Определим коэффициент усиления усилителя охваченного обратной связью. Для этого запишем напряжение на входе усилительного элемента:

Напряжение на выходе усилителя, не охваченного отрицательной обратной связью, можно определить следующим образом:

Из этих двух выражений можно выразить коэффициент усиления услителя охваченного отрицательной обратной связью.

(3)

С одной стороны уменьшение коэффициента усиления может привести к усложнению схемы. С другой стороны если коэффициент усиления будет меняться в зависимости от конкретного экземпляра транзистора или при изменении температуры, то при помощи выражения (3) при достаточно большом первоначальном коэффициенте усиления K можно можно обеспечить стабильность коэффициента усиления блока в целом. Его коэффициент усиления будет зависеть от коэффициента β или другими словами от соотношения номиналов резисторов в четырёхполюснике обратной связи.

Влияние обратной связи на нелинейные искажения усилителя

Одним из важнейших характеристик усилителя является его линейность. Именно отрицательная обратная связь позволяет добиться высокой линейности амплитудной характеристики. Принцип работы отрицательной обратной связи в этом случае не отличается от принципа стабилизации коэффициента усиления. В качестве примера можно привести влияние обратной связи на самый распространенный параметр, позволяющий оценить уровень нелинейных искажений — коэффициент гармоник:

(4)

Влияние обратной связи на выходное сопротивление усилителя

В зависимости от способа получения сигнала обратной связи на выходе усилителя она может быть по напряжению и по току. Структурная схема отрицательной обратной связи по напряжению приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Структурная схема усилителя, охваченного обратной связью по напряжению

Отрицательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилилителя. Выходное сопротивление усилителя, охваченного отрицательной обратной связью по напряжению можно определить по следующей формуле:

Напряжение обратной связи в схемах отрицательной обратной связи по току выделяется на сопротивлении обратной связи, как это показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Структурная схема усилителя, охваченного обратной связью по току

Отрицательная обратная связь по току увеличивает выходное сопротивление усилилителя. Выходное сопротивление усилителя, охваченного отрицательной обратной связью по току можно определить по следующей формуле:

Влияние обратной связи на входное сопротивление усилителя

По входу отрицательная обратная связь может быть последовательной и параллельной. Структурная схема параллельной отрицательной обратной связи приведена на рисунке 4. На этом рисунке не уточняется какая применена обратная связь по выходу (по току или напряжению).

Рисунок 4. Структурная схема усилителя, охваченного параллельной отрицательной обратной связью

Параллельная обратная связь уменьшает входное сопротивление усилителя. Значение входного сопротивления усилителя, охваченного параллельной отрицательной обратной связью можно определить по формуле:

Коэффициент усиления усилителя, охваченного параллельной отрицательной обратной связью можно найти из следующей формулы:

Следующий вид обратной связи, который мы рассмотрим, это последовательная отрицательная обратная связь. Структурная схема последовательной отрицательной обратной связи приведена на рисунке 5. На этом рисунке, также как на предыдущем, не уточняется какая применена обратная связь по выходу (по току или напряжению).

Рисунок 5. Структурная схема усилителя, охваченного последовательной отрицательной обратной связью

Последовательная обратная связь увеличивает входное сопротивление усилителя. Значение входного сопротивления усилителя, охваченного последовательной отрицательной обратной связью можно определить по формуле:

Коэффициент усиления усилителя, охваченного параллельной отрицательной обратной связью можно найти из следующей формулы:

Понравился материал? Поделись с друзьями!

Вместе со статьей «влияние отрицательной обратной связи (ООС) на основные качественные показатели усилительных устройств» читают:

Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 . 2021

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/

Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре «Сигнал», Научно производственной фирме «Булат». В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи «Сигнал-201», авиационной системы передачи данных «Орлан-СТД», отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

Источник

Отрицательная обратная связь – определение и примеры

Определение отрицательной обратной связи

Отрицательная обратная связь – это тип регулирования в биологических системах, в котором конечный продукт процесса, в свою очередь, уменьшает стимул этого же процесса. Обратная связь, как правило, является регуляторным механизмом, присутствующим во многих биологических реакциях. Позволяя определенным путям быть выключенными и включенными, организм может контролировать различные аспекты своей внутренней среды. Это похоже на переключение переключателя. Обратная связь позволяет продукту пути управлять коммутатором. Иногда называемый «петлей отрицательной обратной связи», отрицательная обратная связь возникает, когда продукт пути отключает биохимический путь. Положительный отзыв, противоположность отрицательной обратной связи, обнаруживается в других биологических путях, в которых продукт увеличивает путь. Ниже приведены примеры отрицательных отзывов.

Примеры отрицательной обратной связи

Регулирование уровня сахара в крови

Каждый раз, когда вы едите, механизм отрицательной обратной связи контролирует уровень сахара в вашем кровь, Основной сахар в вашей крови – это глюкоза. После того как вы что-то съели, ваше тело поглощает глюкозу из крови и откладывает ее в кровь. Это увеличивает концентрацию глюкозы и стимулирует выработку поджелудочной железой химического вещества, называемого инсулином. Инсулин является клеточной сигнализацией молекула который говорит мускул а также печень клетки поглощать глюкозу. Клетки печени хранят избыток глюкозы в виде гликоген цепочка глюкоз, используемых в качестве продукта хранения. Мышечные клетки могут хранить глюкозу или использовать ее для выработки АТФ и сокращения. Когда этот процесс происходит, концентрации глюкозы в крови истощаются. Глюкоза была основным сигналом для поджелудочной железы для производства инсулина. Без этого поджелудочная железа перестает вырабатывать инсулин, а клетки перестают поглощать глюкозу. Таким образом, уровни глюкозы поддерживаются в определенном диапазоне, и остальная часть тела имеет постоянный доступ к глюкозе. Механизм отрицательной обратной связи в этой системе особенно проявляется в том, как высокие уровни глюкозы приводят к включению пути, что приводит к продукту, предназначенному для снижения уровня глюкозы. Когда уровень глюкозы становится слишком низким, путь прекращается.

Регулирование температуры

Все эндотермы регулируют их температуру. Эндотермы – это животные, которые регулируют свое тело при температуре, отличной от окружающей. Вы можете думать о млекопитающих и птицах как о наиболее распространенных эндотермах. Большинство путей, ответственных за регулирование температуры, контролируются отрицательной обратной связью. По мере повышения температуры ферменты и пути в организме «включаются» и контролируют различные виды поведения, такие как потоотделение, одышка и поиск тени. Когда животное делает это, температура его тела начинает снижаться. Активность этих путей, которая обусловлена ​​высокой температурой, также начинает уменьшаться. В конце концов достигается температура, при которой путь перекрывается. Другие пути присутствуют при слишком низких температурах, а также отключаются, когда организм достигает оптимальной температуры. Эти пути могут дрожать, искать убежище или сжигать жир. Все эти действия снова нагревают тело и блокируются конечным продуктом их реакций – нагреванием.

Заполнение унитаза

Многие студенты склонны бороться с абстрактными биологическими примерами негативных отзывов. Не бойся! Простой и обычный предмет домашнего обихода использует отрицательный отзыв каждый день. В баке на задней панели вашего туалета находится шар или поплавок, который лежит на уровне воды. Когда вы опорожняете бак, уровень воды падает. Давление от поплавка, который удерживал клапан, сбрасывается, и в бак поступает новая вода. Клапан, управляемый поплавком, подобен ферменту, который контролирует уровень продукта, который он создает. По мере того, как больше воды (продукта) заполняет резервуар, поплавок медленно уменьшает количество воды, пропускаемой через клапан. Клапан аналогичен ферменту, который регулируется обратной связью от продукта, который он помогает создать или впустить в клетка.

викторина

1. Что из следующего представляет отрицательный отзыв?A. Тромбоциты крови выделяют химические вещества, которые привлекают больше тромбоцитов крови, а затем заполняют рануB. Одна птица, спасающаяся от хищника, подстегивает трех птиц, что, в свою очередь, пугает всю стаюC. При производстве аминокислоты фермент, используемый клеткой, ингибируется после того, как аминокислота достигает определенной концентрации.

Ответ на вопрос № 1

С верно. Первые две системы представляют положительные отзывы. По мере того, как несколько человек начинают реагировать, гораздо больше поощряют реагировать. Эти системы приводят к реакциям, которые идут к завершению в одном направлении. Например, вся стая улетит или вся рана будет закрыта. В третьем случае продукт регулирует путь. Это означает, что элемент не будет расходовать слишком много энергии и будет производить именно то количество продукта, которое ему необходимо.

2. Пчелы интересным образом контролируют температуру своего улья. Когда температура становится слишком высокой, определенные пчелы посылают сигнал остальной части колонии, чтобы начать определенное поведение. Пчелы испаряют воду изо рта и размахивают крыльями, чтобы значительно снизить температуру. По мере охлаждения колония возобновляет свою нормальную деятельность. Какой из следующих терминов описывает этот сценарий?A. Положительный отзывB. Негативный отзывC. Ингибирование ферментов

Ответ на вопрос № 2

В верно. Это пример отрицательной обратной связи. Стимул вызывает у пчел реакцию, которая снижает стимул. В свою очередь, путь в конечном итоге перекрыт. Помните, что механизмы обратной связи могут быть частью систем всех размеров, от химических путей до деятельности целых групп организмов.

3. Вы забираетесь в горячую плиту, чтобы захватить свой обед. Ваш палец соскальзывает с горячей площадки и касается горячего горячего блюда в духовке. Сигнал отправляется на ваш головной мозг, который говорит вашей руке сжиматься. Когда ваш палец перестает гореть, ваша рука может расслабиться. Что представляет собой этот сценарий?A. Негативный отзывB. Положительный отзывC. Бой или Полет ответ

Ответ на вопрос № 3

верно. Снова, стимул, который вызвал реакцию, удален через процесс. Это отрицательный отзыв. Ответ может быть связан с боем или бегством, но помните, что даже эти процессы должны контролироваться той или иной формой обратной связи, иначе они будут продолжаться вечно. Механизм отрицательной обратной связи позволяет системе переустанавливаться после стимула, что на клеточном уровне позволяет подготовиться к реакции на другой стимул.

Источник

Отрицательная обратная связь

Если мы соединим выход операционного усилителя с его инвертирующим входом и подадим напряжение сигнала на неинвертирующий вход, мы обнаружим, что выходное напряжение операционного усилителя близко повторяет входное напряжение (для упрощения на схеме не показаны источник питания, выводы +V/-V и условное обозначение земли).

Отрицательная обратная связь

По мере увеличения V_вх, напряжение V_вых будет увеличиваться в соответствии с дифференциальным коэффициентом усиления. Однако, по мере того, как V_вых увеличивается, это выходное напряжение подается обратно на инвертирующий вход, тем самым воздействуя на уменьшение разности напряжений между входами, что приводит к уменьшению выходного напряжения. Что произойдет для любого заданного входного напряжения, так это то, что операционный усилитель будет выдавать напряжение, почти равное V_вх, но достаточно низкое, чтобы между V_вх и входом (-) была разность напряжений, достаточная для усиления, чтобы генерировать выходное напряжение.

Схема быстро достигнет точки стабильности (известной в физике как равновесие), где выходное напряжение является только величиной, правильной для поддержания подходящей величины разности напряжений, которая в свою очередь, создает подходящую величину выходного напряжения. Взятие выходного напряжения усилителя и подача его на инвертирующий вход – это метод, известный как отрицательная обратная связь, и ключ к созданию самостабилизирующейся системы (это справедливо не только для операционных усилителей, но и для любой динамической системы в целом). Эта стабильность дает операционному усилителю возможность работать в линейном (активном) режиме, а не просто насыщаться, полностью «включаясь» или «выключаясь», как это было при использовании ОУ в качестве компаратора, без обратной связи вовсе.

Поскольку коэффициент усиления ОУ настолько высок, напряжение на инвертирующем входе может поддерживаться почти равным Vвх. Предположим, что наш операционный усилитель имеет дифференциальный коэффициент усиления 200000. Если V_вх равно 6 вольт, выходное напряжение будет равно 5,999970000149999 вольт. Это создает достаточное дифференциальное напряжение (6 вольт — 5,999970000149999 вольт = 29,99985 мкВ), чтобы на выходном выводе появлялось напряжение 5,999970000149999 вольт, и система сохранялась в состоянии равновесия. Как вы можете видеть, 29,99985 мкВ – это не такая большая разница, поэтому для практических расчетов можно предположить, что дифференциальное напряжение между двумя входными выводами удерживается отрицательной обратной связью точно на 0 вольт.

Эффект от отрицательной обратной связи Эффект от отрицательной обратной связи (округленные значения)

Одно большое преимущество использования операционного усилителя с отрицательной обратной связью заключается в том, что фактический коэффициент по напряжению операционного усилителя не имеет значения, если он очень велик. Если дифференциальный коэффициент усиления операционного усилителя был бы равен 250000, вместо 200000, это означало лишь только то, что выходное напряжение находилось бы чуть ближе к V_вх (для создания необходимого выходного напряжения требовалось бы меньшее дифференциальное напряжение между входами). В только что показанной схеме выходное напряжение будет (для всех практических целей) равным напряжению на неинвертирующем входе. Таким образом, чтобы разработчик схемы мог построить схему с точным коэффициентом усиления, коэффициенты усиления операционных усилителей не обязательно должны точно выставляться на заводе. Отрицательная обратная связь делает систему самокорректирующейся. Приведенная выше схема в целом просто повторяет входное напряжение со стабильным коэффициентом усиления 1.

Возвращаясь к нашей модели дифференциального усилителя, мы можем думать о том, что операционный усилитель является источником изменяемого напряжения, контролируемым чрезвычайно чувствительным детектором нуля, типа стрелочного индикатора или другого чувствительного измерительного прибора, используемого в мостовых схемах для детектирования состояния баланса (нуля вольт). «Потенциометр» внутри операционного усилителя, создавая изменяемое напряжение, будет перемещаться в какое-либо положение, необходимое для «баланса» напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входах, чтобы на «детекторе нуля» было нулевое напряжение:

Модель операционного усилителя, охваченная отрицательной обратной связью

По мере того, как «потенциометр» будет двигаться, чтобы обеспечить выходное напряжение, необходимое для удовлетворения «индикации» нуля вольт на «детекторе нуля», выходное напряжение будет становиться равным входному напряжению (в этом случае 6 вольт). Если входное напряжение изменится, «потенциометр» внутри операционного усилителя изменит положение, чтобы удерживать «детектор нуля» в равновесии (с индикацией нуля вольт), что приводит к выходному напряжению всегда приблизительно равному входному напряжению.

Это справедливо в диапазоне напряжений, которые операционный усилитель может выдавать на выходе. При напряжении питания +15В/-15В и идеальном усилителе, который может изменять свое выходное напряжение до таких же пределов, он будет точно «повторять» входное напряжение в пределах от +15 вольт до -15 вольт. По этой причине приведенная выше схема известна как повторитель напряжения. Как и его однотранзисторный аналог, усилитель с общим коллектором («эмиттерный повторитель»), он имеет коэффициент усиления по напряжению 1, высокий входной импеданс, низкий выходной импеданс и высокий коэффициент усиления по току. Повторители напряжения также известны как буферы напряжения и используются для повышения токовых возможностей сигналов напряжения, которые слишком слабы (имеют слишком высокое сопротивление источника), чтобы непосредственно запитывать нагрузку. Модель операционного усилителя, показанная на последней иллюстрации, показывает, как выходное напряжение, по сути, изолировано от входного напряжения, поэтому ток на выходном выводе обеспечивается вовсе не источником входного напряжения, а на самом деле источником питания, питающим операционный усилитель.

Следует упомянуть, что многие операционные усилители не могут раскачивать свое выходное напряжение точно до напряжений +V/-V на шинах питания. Модель 741 является одной из тех, которые этого не могут: при насыщении выходное напряжение этого операционного усилителя в пике не доходит примерно на один вольт до напряжения источника питания +V и на два вольта до напряжения источника питания -V. Следовательно, при двуполярном источнике питания +15/-15 вольт выходное напряжение этого операционного усилителя может достигать +14 вольт в максимуме и -13 вольт в минимуме (приблизительно), но не более того. Это связано с его конструкцией на биполярных транзисторах. Эти два предела напряжения известны как положительное напряжение насыщения и отрицательное напряжение насыщения соответственно. Другие операционные усилители, такие как модель 3130 с полевыми транзисторами в оконечном выходном каскаде, имеют возможность раскачивать свои выходные напряжения в пределах милливольт от напряжений на шинах своих источников питания. Следовательно, их положительное и отрицательное напряжения насыщения практически равны напряжениям питания.

Источник